CN104949664B - 微机械陀螺仪电耦合抑制电路和方法 - Google Patents

微机械陀螺仪电耦合抑制电路和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微机械陀螺仪电耦合抑制电路和方法，所述电路包括反相比例放大器和补偿电容，反相比例放大器的输入端连接所述微机械陀螺仪的驱动交流信号端，反相比例放大器的输出端连接补偿电容，补偿电容的另一端连接微机械陀螺仪的电荷放大器运放的反相输入端。本发明有效去除电耦合对陀螺系统响应特性的影响，简单可行，易于实现，提高陀螺系统的结构利用率，避免引入额外噪声，适合实际应用。

Description

微机械陀螺仪电耦合抑制电路和方法
技术领域
本发明涉及微机械陀螺仪技术领域，特别是涉及一种微机械陀螺仪电耦合抑制电路和方法。
背景技术
微机械陀螺仪是一种用来测量角速度的惯性器件，具有体积小、重量轻、功耗低、抗过载能力强、易于集成和智能化等优点，因此，微机械陀螺仪可广泛应用于汽车牵引控制系统、行驶稳定系统、摄像机稳定系统、飞机稳定系统、以及军事等领域。
目前微机械陀螺仪主要是电容结构，特点可以概括为两个：一“杂”二“散”。所谓“杂”是指电容类型和功能多样，有驱动电容、驱动模态检测电容、检测模态检测电容、检测模态反馈电容等，有的陀螺还同时包括梳齿型电容和平行板型电容；所谓“散”，指除了常规功能电容外，还存在着大量寄生电容，分散在陀螺结构的各个角落。这些寄生电容为电信号及噪声提供了传输路径，进而带来电信号的直接耦合。电信号直接耦合会带来以下几个方面的问题：(1)会将噪声信号直接传递到陀螺输出端，降低陀螺的分辨率；(2)会引入电学反共振峰破坏陀螺的模态形貌；(3)会淹没陀螺的机械谐振峰值，降低振动信号的信噪比，不能得到品质因子信息；(4)大的耦合信号会使读出电路饱和，导致陀螺不能正常工作；(5)电耦合信号的变化还会使零偏性能发生漂移。因此，抑制或去除电耦合信号是提高微机械陀螺仪性能的关键。
传统的微机械陀螺仪电耦合信号抑制或去除方法中较为有效的方法有非谐振频率驱动方法和硅隔离岛升频驱动方法。但是非谐振频率驱动方法会增加驱动和检测控制电路的复杂性；采用硅隔离岛结构会增加陀螺的面积，降低结构利用率，升频驱动电路实现较复杂，并且会引入额外的噪声。
发明内容
基于上述情况，本发明提出了一种微机械陀螺仪电耦合抑制电路和方法，有效去除电耦合对陀螺系统响应特性的影响，简单可行，易于实现。
为了实现上述目的，本发明技术方案的实施例为：
一种微机械陀螺仪电耦合抑制电路，包括反相比例放大器和补偿电容，所述反相比例放大器的输入端连接所述微机械陀螺仪的驱动交流信号端，所述反相比例放大器的输出端连接所述补偿电容，所述补偿电容的另一端连接所述微机械陀螺仪的电荷放大器运放的反相输入端。
本发明技术方案的实施例为：
一种微机械陀螺仪电耦合抑制方法，包括以下步骤：
将微机械陀螺仪的直流载波信号接地；
在所述微机械陀螺仪的驱动交流信号端施加交流扫频激励信号；
检测所述微机械陀螺仪的仪表放大器的响应输出；
根据所述交流扫频激励信号、所述仪表放大器的响应输出、所述微机械陀螺仪的仪表放大器的放大倍数和反馈电容的容值得到所述微机械陀螺仪的集总寄生耦合电容的容值；
根据所述集总寄生耦合电容的容值确定反相比例放大器的放大倍数和补偿电容的容值；
所述反相比例放大器的输入端连接所述微机械陀螺仪的驱动交流信号端，所述反相比例放大器的输出端连接所述补偿电容，所述补偿电容的另一端连接所述微机械陀螺仪的电荷放大器运放的反相输入端。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明微机械陀螺仪电耦合抑制电路和方法，通过串联连接的反相比例放大器和补偿电容有效去除电耦合对陀螺系统响应特性的影响，简单可行，易于实现，提高陀螺系统的结构利用率，避免引入额外噪声，适合实际应用。
附图说明
图1为一个实施例中微机械陀螺仪电耦合分析图；
图2为一个实施例中微机械陀螺仪电耦合抑制模型示意图；
图3为一个具体示例中微机械陀螺仪电耦合抑制电路拓扑图；
图4为一个实施例中有及无微机械陀螺仪电耦合抑制电路的微机械陀螺仪幅频响应特性曲线；
图5为一个实施例中有及无微机械陀螺仪电耦合抑制电路的微机械陀螺仪相频响应特性曲线；
图6为一个实施例中微机械陀螺仪电耦合抑制方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。
一个实施例中微机械陀螺仪电耦合抑制电路，包括反相比例放大器和补偿电容，所述反相比例放大器的输入端连接所述微机械陀螺仪的驱动交流信号端，所述反相比例放大器的输出端连接所述补偿电容，所述补偿电容的另一端连接所述微机械陀螺仪的电荷放大器运放的反相输入端。
从以上描述可知，本发明微机械陀螺仪电耦合抑制电路，通过串联连接的反相比例放大器和补偿电容有效去除电耦合对陀螺系统响应特性的影响，简单可行，易于实现。
作为一个实施例，所述反相比例放大器的放大倍数和所述补偿电容的容值通过以下步骤得到：
断开所述补偿电容与所述微机械陀螺仪的电荷放大器运放的反相输入端的连接；
将所述微机械陀螺仪的直流载波信号接地；
在所述微机械陀螺仪的驱动交流信号端施加交流扫频激励信号；
检测所述微机械陀螺仪的仪表放大器的响应输出；
根据所述交流扫频激励信号和所述仪表放大器的响应输出确定所述微机械陀螺仪的耦合电路的增益；
根据所述耦合电路的增益、所述微机械陀螺仪的仪表放大器的放大倍数和反馈电容的容值得到所述微机械陀螺仪的集总寄生耦合电容的容值；
根据所述集总寄生耦合电容的容值确定所述反相比例放大器的放大倍数和所述补偿电容的容值；
通过扫频测试方法间接测量集总寄生耦合电容的大小，进一步根据集总寄生耦合电容的大小确定反相比例放大器的放大倍数和补偿电容的容值，实现准确抑制微机械陀螺仪电耦合信号，符合实际应用。
微机械陀螺仪中的电耦合主要是指从驱动电压到驱动模态和检测模态的检测电容的直接耦合，总结起来主要有以下几个耦合路径：通过电路寄生电容耦合；通过相邻的梳齿电容耦合；通过驱动与检测压焊电极耦合；通过衬底阻抗耦合；通过封装管脚及PCB走线耦合。因此，可用一个集总模型来描述、反映电耦合的特性，如图1所示，其中Cd1和Cd2分别为差分驱动电容，Cs1和Cs2分别为差分检测电容，Cp1和Cp2分别为差分驱动与检测梳齿之间的寄生耦合电容，VL和VR为差分驱动电压信号。
微机械陀螺仪驱动模态的电耦合抑制模型如图2所示，不考虑电耦合时，DAC输出到ADC输入之间的本原传递函数为：
考虑电耦合后，DAC输出到ADC输入之间的传递函数变为：
其中Cp为集总寄生耦合电容，kvf为驱动电压到力的转换系数，kdc为检测位移到电容的转换系数，kcv为检测电容到电压的转换系数，ωd和Qd分别为微机械陀螺仪驱动端的谐振频率和品质因子，md为微机械陀螺仪驱动质量块的质量；
由以上公式可知电耦合虽然没有改变陀螺的谐振峰，但却带来了反共振峰，其中反共振频率ωdc和品质因子Qdc分别如公式： 反共振峰的存在会影响陀螺的频率响应特性，从而影响控制系统的性能；
当满足Cp＝-kpcCpc时，电耦合响应将被抑制和抵消，其中Cpc为补偿电容，kpc为补偿环路的增益。
为了更好地理解本方法，以下详细阐述一个微机械陀螺仪电耦合抑制电路的应用实例。
如图3所示，该应用实例可以包括反相比例放大器和补偿电容，反相比例放大器的输入端连接微机械陀螺仪的驱动交流信号端，反相比例放大器的输出端连接补偿电容，补偿电容的另一端连接微机械陀螺仪的电荷放大器运放的反相输入端；即电阻R9一端连接微机械陀螺仪的驱动交流信号端，另一端连接运放的反相输入端，电阻R10一端连接运放的反相输入端，另一端连接运放的输出端，运放的同相输入端接地，补偿电容的一端连接运放的输出端，另一端连接微机械陀螺仪的电荷放大器运放的反相输入端；
反相比例放大器的放大倍数为kpc，补偿电容的容值为Cpc，驱动交流信号为Vac，驱动直流信号为Vdc，驱动信号采用差分驱动形式，检测电路采用电荷放大器读出方案，电耦合路径如图中虚线所示，耦合电容作用在电荷放大器上；
检测电路中的微机械陀螺仪电耦合抑制系统只包含串联连接的反相比例放大器和补偿电容，不存在升频或降频驱动，非常简单，容易实现；
如果要实现准确的耦合补偿，需要确定反相放大器的放大倍数kpc和补偿电容的容值Cpc，以下通过扫频测试方法间接测量集总寄生耦合电容的大小，进一步根据集总寄生耦合电容的大小确定反相比例放大器的放大倍数kpc和补偿电容的容值Cpc：
断开上述补偿电容与微机械陀螺仪的电荷放大器运放的反相输入端的连接；
将微机械陀螺仪的直流载波信号Vc接地；
在微机械陀螺仪的驱动交流信号端施加交流扫频激励信号Vac；
检测微机械陀螺仪的仪表放大器的响应输出Vout；
根据上述交流扫频激励信号Vac和上述仪表放大器的响应输出Vout确定微机械陀螺仪的耦合电路的增益k；
根据上述耦合电路的增益k、微机械陀螺仪的仪表放大器的放大倍数和反馈电容的容值Cf得到微机械陀螺仪的集总寄生耦合电容的容值Cp；
根据上述集总寄生耦合电容的容值Cp，利用公式Cp＝-kpcCpc确定反相比例放大器的放大倍数kpc和补偿电容的容值Cpc。
本应用实例通过串联连接的反相比例放大器和补偿电容去除电耦合对陀螺系统响应特性的影响，简单可行，易于实现，提高陀螺系统的结构利用率，避免引入额外噪声，有很高的实际应用价值。
如图4所示一个实施例中有及无微机械陀螺仪电耦合抑制电路的微机械陀螺仪幅频响应特性扫频测试结果，可见无微机械陀螺仪电耦合抑制电路时(无前馈耦合补偿时)，电耦合使得幅频响应出现反共振峰，7200Hz到9000Hz范围内陀螺的电耦合较大，本原响应特性严重变形，而加上微机械陀螺仪电耦合抑制电路后(加上前馈耦合补偿后)，电耦合反共振峰被消除，而谐振峰值大小不变，电耦合信号被抑制了至少24dB，陀螺本原响应特性得以还原。如图5所示一个实施例中有及无微机械陀螺仪电耦合抑制电路的微机械陀螺仪相频响应特性扫频测试结果，同样，去电耦合前(无前馈耦合补偿时)，相频响应曲线出现反共振峰，去电耦合后(加上前馈耦合补偿后)，相频响应特性得以还原。
一个实施例中微机械陀螺仪电耦合抑制方法，如图6所示，包括以下步骤：
步骤S601：将微机械陀螺仪的直流载波信号接地；
步骤S602：在所述微机械陀螺仪的驱动交流信号端施加交流扫频激励信号；
步骤S603：检测所述微机械陀螺仪的仪表放大器的响应输出；
步骤S604：根据所述交流扫频激励信号、所述仪表放大器的响应输出、所述微机械陀螺仪的仪表放大器的放大倍数和反馈电容的容值得到所述微机械陀螺仪的集总寄生耦合电容的容值；
步骤S605：根据所述集总寄生耦合电容的容值确定反相比例放大器的放大倍数和补偿电容的容值；
所述反相比例放大器的输入端连接所述微机械陀螺仪的驱动交流信号端，所述反相比例放大器的输出端连接所述补偿电容，所述补偿电容的另一端连接所述微机械陀螺仪的电荷放大器运放的反相输入端；
上述微机械陀螺仪电耦合抑制方法首先通过扫频测试方法间接测量微机械陀螺仪集总寄生耦合电容的大小，然后根据集总寄生耦合电容的大小确定反相比例放大器的放大倍数和补偿电容的容值，最后将相应的反相比例放大器和补偿电容接入该微机械陀螺仪中，有效去除电耦合对陀螺系统响应特性的影响，提高陀螺系统的结构利用率，同时避免引入额外噪声，适合应用。
作为一个实施例，根据所述交流扫频激励信号、所述仪表放大器的响应输出、所述微机械陀螺仪的仪表放大器的放大倍数和反馈电容的容值得到所述微机械陀螺仪的集总寄生耦合电容的容值的步骤包括：
根据所述交流扫频激励信号和所述仪表放大器的响应输出确定所述微机械陀螺仪的耦合电路的增益；
根据所述耦合电路的增益、所述微机械陀螺仪的仪表放大器的放大倍数和反馈电容的容值得到所述微机械陀螺仪的集总寄生耦合电容的容值；
通过扫频测试方法间接测量集总寄生耦合电容的大小，简单、准确。
作为一个实施例，根据所述集总寄生耦合电容的容值确定反相比例放大器的放大倍数和补偿电容的容值的步骤包括：
根据公式Cp＝-kpcCpc确定反相比例放大器的放大倍数和补偿电容的容值，其中Cp表示所述集总寄生耦合电容，kpc表示补偿环路的增益，Cpc表示补偿电容的容值，快速、准确，适合应用。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种微机械陀螺仪电耦合抑制电路，其特征在于，包括反相比例放大器和补偿电容，所述反相比例放大器的输入端连接所述微机械陀螺仪的驱动交流信号端，所述反相比例放大器的输出端连接所述补偿电容，所述补偿电容的另一端连接所述微机械陀螺仪的电荷放大器运放的反相输入端；
所述反相比例放大器包括运算放大器、电阻R9和电阻R10，其中所述电阻R9一端连接微机械陀螺仪的驱动交流信号端，所述电阻R9另一端连接所述运算放大器的反相输入端；所述电阻R10一端连接所述运算放大器的反相输入端，所述电阻R10另一端连接所述运算放大器的输出端；所述运算放大器的同相输入端接地；所述补偿电容的一端连接所述运算放大器的输出端。
2.根据权利要求1所述的微机械陀螺仪电耦合抑制电路，其特征在于，所述反相比例放大器的放大倍数和所述补偿电容的容值通过以下步骤得到：
断开所述补偿电容与所述微机械陀螺仪的电荷放大器运放的反相输入端的连接；
将所述微机械陀螺仪的直流载波信号接地；
在所述微机械陀螺仪的驱动交流信号端施加交流扫频激励信号；
检测所述微机械陀螺仪的仪表放大器的响应输出；
根据所述交流扫频激励信号和所述仪表放大器的响应输出确定所述微机械陀螺仪的耦合电路的增益；
根据所述耦合电路的增益、所述微机械陀螺仪的仪表放大器的放大倍数和反馈电容的容值得到所述微机械陀螺仪的集总寄生耦合电容的容值；
根据所述集总寄生耦合电容的容值确定所述反相比例放大器的放大倍数和所述补偿电容的容值。
3.一种微机械陀螺仪电耦合抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：
将微机械陀螺仪的直流载波信号接地；
在所述微机械陀螺仪的驱动交流信号端施加交流扫频激励信号；
检测所述微机械陀螺仪的仪表放大器的响应输出；
根据所述交流扫频激励信号、所述仪表放大器的响应输出、所述微机械陀螺仪的仪表放大器的放大倍数和反馈电容的容值得到所述微机械陀螺仪的集总寄生耦合电容的容值；
根据所述集总寄生耦合电容的容值确定反相比例放大器的放大倍数和补偿电容的容值；
所述反相比例放大器的输入端连接所述微机械陀螺仪的驱动交流信号端，所述反相比例放大器的输出端连接所述补偿电容，所述补偿电容的另一端连接所述微机械陀螺仪的电荷放大器运放的反相输入端。
4.根据权利要求3所述的微机械陀螺仪电耦合抑制方法，其特征在于，根据所述交流扫频激励信号、所述仪表放大器的响应输出、所述微机械陀螺仪的仪表放大器的放大倍数和反馈电容的容值得到所述微机械陀螺仪的集总寄生耦合电容的容值的步骤包括：
根据所述交流扫频激励信号和所述仪表放大器的响应输出确定所述微机械陀螺仪的耦合电路的增益；
根据所述耦合电路的增益、所述微机械陀螺仪的仪表放大器的放大倍数和反馈电容的容值得到所述微机械陀螺仪的集总寄生耦合电容的容值。
5.根据权利要求3或4所述的微机械陀螺仪电耦合抑制方法，其特征在于，根据所述集总寄生耦合电容的容值确定反相比例放大器的放大倍数和补偿电容的容值的步骤包括：
根据公式Cp＝-kpcCpc确定反相比例放大器的放大倍数和补偿电容的容值，其中Cp表示所述集总寄生耦合电容，kpc表示补偿环路的增益，Cpc表示补偿电容的容值。
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